河床下切对桥梁桩基承载能力的影响及加固

王 全 ，刘洪瑞 ，吴冬亮

（1.广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006；2.广东省冶金建筑设计研究院，广东广州 510080）

0 引言

河床下切是指现有河床比设计时河床基准面下降，其下切按成因可分为冲刷产生河床下切和人为挖砂产生河床下切[1]。桥墩和桥台的修建，使原来的河槽过水断面减小，造成河道水流流态发生改变，局部增大了河水流速，对桥基产生强烈冲刷。在水流的冲刷下，把河床中的松散沉积物局部或全部冲走，进而导致桩基础埋置深度不够，直接影响桥墩自身的承载能力，威胁整个桥梁的安全。另一方面，从河中抽砂（采砂）是多年来获取砂料的传统方法。但长期人为无序地抽砂，致使河床下切，直接影响到采砂河段桥梁墩台基础的承载能力，进而危及桥梁的安全。

国内由于河床下切危及桥梁安全的事件不在少数。例如：西安灞桥陇海铁路灞河铁路大桥几年前曾因人为采砂造成河床下切，使得该桥扩大基础承载力丧失而毁桥，给国家的财产和铁路运输大动脉造成巨大损失。外夹河铁路大桥因干涸的外夹河河床被人为挖河砂破坏，使河床抗冲刷能力降低，以致被洪水冲垮。广东省茂名市的沙琅江大桥、化州下郭大桥等多座桥梁，也因为人为采砂致使河床下切深度达3～8 m，桥墩、台基础承载力严重不足，必须加固才能维持正常运营。因此，采用适当的方法确定河床下切段桥梁基础是否满足桥梁承载能力是非常重要的。

1 工程概况

2 理论分析方法

河床下切使基础的埋置深度减少，桩的自由长度增长,以及桩-土之间发生变化。桩的自由长度增长，导致桩的稳定性变差，对水平荷载承受能力减弱。桩土作用指桩在横向力以及弯距作用下产生水平位移及转角，从而使桩挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩产生横向抗力。桩-土水平相互作用实质上是桩身内力与变形关系，这种关系体现出一种极其复杂的非线性。由于计算参数的不确定性,影响因素的众多和不明确，桩-土之间的非线性关系无法用解析的方法予以表述，这样就给桩-土相互作用的研究带来很大的不便。

水平静荷试验确定桩-土关系是最基本的方法，但此方法受主、客观因素制约，不可能每项工程都进行此项试验。目前工程界对桩-土作用理论分析主要采用下述四种方法：弹性理论法、剪切位移法、荷载传递法及数值分析法。目前，使用最为广泛的是荷载传递法。

荷载传递法最早是由Seed和Reese在1955年首先提出的。至今，荷载传递法的研究已有50 a的历史。这些非线性弹簧的应力——应变关系，即桩侧摩阻力τ（或桩端阻力σ)与位移s之间的关系(τ-s 或 σ-s 关系)一般就称为传递函数[2]，计算简图见图1。

利用已知桩侧(桩底)土的荷载传递函数求解传递函数的基本方程为:

式中：P——桩身轴力；

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U——桩截面周长；

Ap——桩的截面积；

Ep——桩的弹性模量；

τ——桩侧摩阻力。

荷载传递法有利于深入了解和研究桩的受力机理，它不象剪切位移法那样只局限于线弹性传递函数，摩阻力和位移的关系只能从弹性理论导出，荷载传递法则适用于较复杂的传递函数，特别是非线性函数。基于荷载传递函数建立起来的荷载传递法适用于单桩受力机理的分析，这种方法已经比较完善[3]。现行桥梁桩基规范[4-6]推荐在一定桩顶位移内采用“m”法，但事实上，即使在桩顶小位移情况下，土也表现出一定的非线性，由于“m”法使用方便，一直在桥梁设计中占有重要地位。

3 模型建立以及土弹簧刚度确定

本文采用荷载传递法对河床下切后桩基承载能力进行研究。桩-土水平作用模拟方法为：在每个桩单元节点两侧设计只受压弹簧（简称土弹簧），每个弹簧模拟在该处节点上、下单元各一段范围内土体对桩身的水平作用。每个弹簧刚度可根据不同的桩-土作用关系予以求解。表1为桩侧土弹簧水平刚度表。

kz=Czb1li，Cz=m×z

式中：kz——z处的桩侧土弹簧的水平弹性刚度；

Cz——z处的地基水平向抗力系数；

m——z处的地基水平向抗力系数的比例系数；

z——桩基上某点至最低冲刷线的距离；

b1——桩基的计算宽度；

lz——深度z处的桩基单元高度。

该工程采用Midas/Civil2006为下郭大桥的5×35 m钢筋混凝土肋拱主桥建立模型，结构离散图如图2所示，全桥共划分1806个节点，2331个单元，其中桥面板采用400个实体单元模拟，其余采用1931个梁单位模拟。主桥1＃墩总冲刷深度为5.2 m，2＃墩总冲刷深度为6.2 m，3＃墩总冲刷深度为6.7 m，4＃墩总冲刷深度为4.4 m，桩基间相互作用采用上弹簧模拟。

表1 桩侧土弹簧水平刚度表

4 计算分析

按桩基内力最不利进行荷载组合，恒载分项系数取1.0，整体降温与汽车制动力同时组合，混凝土的收缩及徐变作用的分项系数取1.0，全桥弯矩图如图3所示。

由于主桥1#接近边跨墩病害较为严重，且1#墩桩基最大弯矩较大，故选用1#墩桩基为算例进行分析计算。

4.1 桩基强度验算

1#墩弯矩图如图4所示。

由图4可得，1#墩墩顶弯矩为M1=1513.7kN·m，对应的轴力N1=2291.4 kN；1#墩桩身最大弯矩为M2=1564.6 kN·m，对应的轴力 N2=2891.8 kN。

1#墩桩基采用C20混凝土，桩径为1.4 m，配有30φ22。由计算可以得，原墩顶结构抗弯承载力N'u1=4164.5 kN，M'u1=3053.01 kN·m，该桥墩顶结构的旧桥检算系数Z1=0.9，偏心增大系数η=1.1，Nu1=4164.5×0.9=3748.1 kN＞2291.4 kN，Mu1=3053.01×0.9=2747.7（kN·m）＞1513.7×1.1=1665.1（kN·m）。因此，墩顶处抗弯承载力满足要求。

原桩基最大弯矩处，结构抗弯承载力N'u1=5290 kN，M'u1=3199.7 kN·m，偏心增大系数 η=1.12，由于下郭大桥主桥1#桥墩在原混凝土护筒顶面至河床底产生严重锈筋病害，该墩桩基的旧桥检算系数 Z1=0.45，Nu1=5292×0.45=238.5kN＜2891.8kN，Mu1=3199.7×0.45=1440（kN·m）＜1564.1×1.1=1721.1（kN·m）。因此，原混凝土护筒顶面至河床底段桩基抗弯承载力不满足要求。

4.2 挠度验算

挠度计算采用短期组合（仅活载，不计恒载），并考虑长期效应。由《桥规》第6.5.3条可得，对于钢筋混凝土受弯构件挠度长期增长系数取为θ=2.0，活载作用下全桥的变形图如图5所示。

消除结构自重以及考虑挠度长期增长系数θ后的长期挠度最大值，跨中纵梁竖向位移fmax=26.4 mm，墩顶水平位移fmax=16.8 mm。按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.5.3规定，挠度限值为l0/600=37350/600=62.3 mm。

由于下郭大桥上部结构损坏较轻微，故纵向主肋的旧桥检算系数Z1=0.9，纵向主肋竖向位移fmax=26.4 mm＜62.3×0.9=56.1 mm，满足要求；下郭大桥桥墩损坏较严重，故桥墩桩基的旧桥检算系数Z1=0.45，墩顶水平位移fmax=16.8 mm＜62.3×0.45=28 mm，满足要求。

4.3 桩基竖向承载力验算

地基进行竖向承载力验算时，传至基底的作用效应应按正常使用极限状态的短期效应组合采用，其中可变作用的频遇值系数均取为1.0，且汽车不计入冲击系数。在短期效应作用下，1#墩桩基最大基底反力为4155.8 kN，基底反力图如图6所示。

1#桥墩单桩轴向力计算从冲刷后河床顶面以下0.5 m算起，桩基嵌入粉砂岩，桩基承载力按端载桩计算，桩端岩饱和抗压标准强度Fyk=5.3 MPa。

由计算可得，1#桥墩桩基单桩轴向受压承载力容许值：满足要求。

5 加固方法

计算分析结果表明，桥墩挠度验算与桩基承载能力验算均满足要求。下郭大桥河床下切带来的最大影响是桩基抗弯承载能力不满足要求。

综合考虑病害原因、加固方法、经济指标等因素后，采用“包桩法”对主桥桥墩桩基进行加固处理，由原桩基直径φ140 cm增大至φ180 cm。加配30φ22主筋及箍筋。加固长度为常水位以上30 cm（约为原混凝土护筒顶面以上20 cm）至河床以下50 cm，由于各墩河床标高不同，平均加固长度约5.50 m，桩基加固构造图如图7所示。同时，采用环氧砂浆修补及防锈处理病害轻微的墩柱。

6 结语

（1）河床下切直接影响桥梁桩基础的承载能力，设计单位在设计时应充分考虑河床今后的下降和变迁，使用单位和管理单位应加强对桥梁的监管，对发生河床下切的严重桥梁及时采取加固措施。

（2）河床下切对桥梁基础的刚度有较大影响，特别是自由长度较长的桩基础。河床下切深度过大时，容易因基础的抗弯承载能力不足而发生毁桥事件。

（3）河床下切对端承桩竖向承载力影响较小，但在采用摩擦桩的情况下，桩基的竖向承载力也会有相当的削减。

[1]齐梅兰.采沙河床桥墩冲刷研究 [J].水利学报.2005,36(7):835-839.

[2]CHAUK T.Fluid Point Source and Point Forces in Linear Elastic Diffuive Half-spaces [J].Mechanics of Materials.1996，23(3):241-253.

[3]黄志全，周进.单桩桩土作用及其理论计算方法研究[J].山西建筑,2008，34(1):3-4.

[4]JTG D63-2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[5]JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].

[6]GBJ 202-83,地基与基础工程施工规范[S].